摘 要：對(duì)以nRF24E1射頻芯片為核心的人體生理壓力、溫度、濕度參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究。為了精確測(cè)量人體的壓力、溫度、濕度系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)了其數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路，并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)，避免信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸容易產(chǎn)生的干擾。同時(shí)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：射頻技術(shù)；生理數(shù)據(jù)；單總線(xiàn)傳感器；無(wú)線(xiàn)通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-019-03

Design and Research of Human Physiological Data Acquisition System Based on RF Technology

RUAN Yuying，XU Jun

(Apparel and Art Design College，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China)

Abstract：NRF24E1 right to the core of radio-frequency chips in human physiological pressure，temperature，humidity parameters of the data acquisition system are studied.In order to accurately measure the body temperature，pressure and humidity are carefully designed its part of the data acquisition hardware circuit，through the wireless RF transceiver chip for the data collection for wireless transceiver，the signal line to avoid long-distance transmission easy interference.Coupled with the development of corresponding software.

Keywords：RF technology;physiological data;single bus sensor;wireless communication

在服裝舒適性研究領(lǐng)域，人體生理參數(shù)的精確采集對(duì)研究人員設(shè)計(jì)服裝款式、選取合適服裝材料和服裝面料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，服裝舒適性研究領(lǐng)域中以服裝對(duì)人體的壓力、溫度、濕度這3方面參數(shù)為典型代表。在實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通訊的硬件電路部分，本文選取的nRF24E1是北歐集成電路公司(NORDIC)推出的一款帶2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF2401和增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。nRF24E1適用于各種無(wú)線(xiàn)設(shè)備的短距離互連應(yīng)用場(chǎng)合，其工作于ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段。該器件有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來(lái)避免干擾。nRF24E1 最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，其最大發(fā)射功率為0 dBm，在比較理想環(huán)境中，其室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30～40 m，室外傳輸距離可達(dá)100～200 m。壓力傳感器采用NPC1210高精度壓力傳感器，壓力傳感器輸出的是0～75 mV微弱電壓信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)雙絞屏蔽線(xiàn)傳出，送入放大器進(jìn)行放大。

溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線(xiàn)技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。因?yàn)樗菙?shù)字輸出，而且只占用一個(gè)I/O端口，所以他特別適合于微處理器控制的各種溫度測(cè)控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。濕度傳感器采用法國(guó)Humirel公司于2002年推出的一種基于硬質(zhì)封裝的HS1101濕敏電容電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500。線(xiàn)性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500的主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、抗污染能力強(qiáng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件以無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片nRF24E1為核心，包括壓力傳感器，壓力信號(hào)放大及濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器，濕度傳感器，存儲(chǔ)器，接口及顯示器組成。

系統(tǒng)的硬件電路部分主要由參數(shù)采集部分和接口上傳部分組成。其中參數(shù)采集部分由射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，壓力、溫度和濕度參數(shù)采集電路組成；接口上傳部分由接口上傳電路和顯示電路組成。

1.1 參數(shù)采集部分

本電路設(shè)計(jì)主要是采集人體壓力、溫度和濕度參數(shù)。其中壓力傳感器NPC1210高精度為模擬信號(hào)須經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；溫度傳感器DS18B20采用1-wire單總線(xiàn)技術(shù)的數(shù)字信號(hào)傳感器采集人體生理參數(shù)；濕度傳感器內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)。

1.1.1 射頻收發(fā)芯片主電路

由于硬件電路設(shè)計(jì)要求PCB板越小越好，若使用電池則有持續(xù)時(shí)間短、占用面積大和易震動(dòng)脫落等缺點(diǎn)。nRF24引電源電壓是1.9~3.6 V，且功耗很低。MAX 2323及串口E2PROM25AA32O均可工作在3.0 V。因此在該設(shè)計(jì)中收發(fā)主電路由電池供電較為理想，采用了從串口取電源作為整個(gè)電路的供電系統(tǒng)。

1.1.2 壓力傳感器A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

壓力傳感器輸出模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)AT89S51單片機(jī)與ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

AT89S51內(nèi)部的硬件資源在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要外擴(kuò)RAM或I/O口。例如4 kB閃存，128 B內(nèi)部RAM，1個(gè)串行口和4個(gè)8位并行口等，這已經(jīng)夠用。

當(dāng)51單片機(jī)沒(méi)有外擴(kuò)RAM和I/O口時(shí)，他是惟一的，沒(méi)有地址編號(hào)，也就不需要任何地址線(xiàn)或者地址譯碼線(xiàn)。只要單片機(jī)往外部RAM寫(xiě)入，就是寫(xiě)到ADC0809的地址寄存器中。所以ADC0809就可以在概念上作為一個(gè)特殊惟一的外擴(kuò)RAM單元 。只要單片機(jī)從外部RAM讀取數(shù)據(jù)，就是讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

1.2 接口上傳部分

由于nRF24E1芯片的外部接口資源非常有限，本系統(tǒng)選用串行接口的鍵盤(pán)顯示模塊。串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)端3個(gè)端口需要接到單片機(jī)的I/O引腳上，顯示刷新速度較比行顯示方式慢。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)2大部分。

2.1 系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)軟件按照模塊化設(shè)計(jì)思想編寫(xiě)，包括參數(shù)采集程序流程圖和接口上傳程序流程圖2大部分。還包括一些定時(shí)中斷程序和相應(yīng)的功能子程序組成。主程序完成微處理器的初始化工作，并將定時(shí)中斷程序和各種功能子程序的統(tǒng)一協(xié)調(diào)在一起，主程序流程圖如圖2、圖3所示。

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)包括主程序的設(shè)計(jì)和各子程序的設(shè)計(jì)，以無(wú)線(xiàn)收發(fā)主芯片應(yīng)用程序的主要功能函數(shù)簡(jiǎn)要介紹其功能。無(wú)線(xiàn)收發(fā)主芯片nRF24E1具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，利用C51可編出高效優(yōu)質(zhì)的代碼的優(yōu)點(diǎn)，所以用Keil C51開(kāi)發(fā)nRF24E1。

(1) 初始化程序

void Init(void){

//配置I/O口

P0-ALT=0x06；[JY]//P0.1為RXD，P0.2為T(mén)XD

P0-DIR=0x09；[JY]//P0.0和P0.3設(shè)為輸入

P1-DIR=0x03；[JY]//P1.0和P1.1設(shè)為輸入

PWR-UP=1；[JY]//開(kāi)Radio，讀時(shí)不用，寫(xiě)時(shí)為電源

SPICLK=0；[JY]//SPI時(shí)鐘為XTAL/8

SPI-CTRL=0x02；[JY]//把SPI與收發(fā)通道1(CH1)相連

//串口通訊初始化

[JP2]TH1=0x0F3；[JY]//晶振為16 MHz，波特率為19 200(當(dāng)T1M=1且SMOD=1時(shí))[JP]

CKCON|=0x10；[JY]//T1M=1(計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為CPU時(shí)鐘的1/4)

PCON=0x80；[JY]//SMOD=1(雙倍波特率)

SCON=0x52；[JY]//采用串口模式1，使能接收器

TMOD=0x20；[JY]//使用計(jì)數(shù)器1，8位計(jì)數(shù)值自動(dòng)重載

TCON=0x40；[JY]//啟動(dòng)計(jì)數(shù)器}

(2) 接收器配置函數(shù)

void Init-Receiver(void){

unsigned char b；

CS=1；[JY]//打開(kāi)配置方式

Delay100us(0)；

for(b=0；b

{

SpiReadWrite(rconf.buf［b］)；[JY]//發(fā)送接收器配置字

}

CS=0；[JY]//關(guān)配置方式CE=1；//使能收發(fā)功能}



(3) 接收函數(shù)



void Receiver(void){

unsigned char b；

CS=1；[JY]//打開(kāi)配置模式[LL]

Delay100us(0)；

for(b=0；b

SpiReadWrite(rconf.buf［b］)；[JY]//發(fā)送接收器配置字

}

CS=0；[JY]//關(guān)配置模式

for(；；){

b=ReceivePacket()；[JY]//接收數(shù)據(jù)包

PutChar(b)；[JY]//串口通信函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送

}

}

程序除了以上函數(shù)外，還有發(fā)送函數(shù)、串口通訊函數(shù)、讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果函數(shù)、接收包處理函數(shù)和發(fā)送包處理函數(shù)等。

3 結(jié) 語(yǔ)

本電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。采集到的人體生理參數(shù)精確、可靠。1 Mb/s完全滿(mǎn)足一般無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)囊?。無(wú)線(xiàn)傳輸可方便地實(shí)現(xiàn)在特殊環(huán)境下對(duì)人體生理參數(shù)的采集工作，不僅對(duì)于服裝舒適性研究提供了很大的方便，也為醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Σ∪说谋O(jiān)護(hù)具有良好效果。本系統(tǒng)還可連接PC機(jī)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)，可更快捷、直觀地了解人體生理參數(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Nordic VLSI ASA Inc.433/868/915 MHz RF Transceiverwith Embedded 8051 Compatible Microcontroller and 4 Input，10 b ADC.2004.

［2］Nordic VLSI ASA Inc.2.4 CHz RF Transceiver with Embedded 8051 Compatible Microcontroller and 9 Input，10 b ADC.2005.

［3］[JP2]Nordic VLSI ASA.nRF24E1 2.4 GHz Radio Transceiver with Microcontroller.Preliminary Product Specification，2003.[JP]

［4］[JP2]Dallas Semiconductor Corporation.DS18B20 Programmable Resolution 1 Wire Digital Thermometer.ProductDatasheet，2002.[JP]

［5］Humirel.Relative Humidity Module HM1500.Technical Specification，2005.

［6］趙亮.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例\\[M\\].北京:人民郵電出版社，2003.

［7］高廓，田小建，田寧君.基于nRF24E1的多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(22):116-117.［8］謝光前，殷凱.基于nRF24E1無(wú)線(xiàn)耳機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.福建電腦，2006(7):113-114.

［9］Robert Cravotta.32位微處理器致力于8位應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2005，12(5):56-57.

［10］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。